不同的材料和操作条件的范围内的模具挤出电线包覆的设计与实验验证的一种优化方法Word下载.docx
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2012年塑料工程师协会
简介
衣架熔体分配器(图1)是常用的在电线包覆过程。
它的任务是在导体周围均匀的熔体分配。
平衡流量通过一个模具,实现了整个模具出口的速度分布均匀的分布是挤压模的设计的最困难的任务之一。
图1。
衣架熔体经销商。
对于的聚合物挤出行业中,最具挑战性和挑战性的工作是探讨如何减少甚至消除模具校正。
在一般情况下,增加芯片土地的查询结果,在显着的流动阻力,其效果是改善最终的熔体分配的长度。
然而,这增加土地的长度可能迅速导致模头的压降的过度增加。
甲夹紧酒吧更新也可以优化[
1
],得到均匀的模具出口处的速度。
但是,使用此夹紧栏也导致模头的压降,这可能导致的模体偏转的增加。
因此,信道的几何形状(歧管)的衣架型模头应在这样一种方式,在模具出口的速度分布均匀而不过分提高模头的压降得到优化。
的聚合物挤压模具的设计是复杂的,树脂的粘度和剪切速率之间的非线性关系。
到模具中,使以得到均匀的速度,流过的分布是一个函数的总吞吐量,因此,该树脂的剪切稀化的功能和散热。
计算机模拟的挤出过程中,必须考虑到该聚合物的非线性材料行为,并准确地预测在模具内的压力和温度分布。
挤压模具的性能取决于,除其他外,在流路的设计和操作条件下,通过在挤出过程中[
2,3
]。
这可能会导致材料具有非常不同的流变学特性的设计材料相比,性能降低到不可接受的水平的问题。
Chen等人的。
[
4
]表明,使用田口方法的操作条件下,材料的变化和模具的几何形状,在模具出口的速度分布上有很大的影响。
王等人[
5
]研究歧管角的效果和歧管的横截面的轮廓上的流量分布的衣架型模头,利用三维有限元(FE)与等温流的假设和幂律流体的软件。
实验的设计也被用来由尤尼斯等人研究的效果在聚合物挤出工艺参数。
6
他们使用的统计的方法,使用一个阶乘实验设计流变机制提供的描述,通过数学的相互作用,和研究中,聚合物熔体流动指数和挤压温度对晶体的形状和尺寸[
7
]
的效果。
卡内罗等。
8
]研究了不同挤压条件下的矩形聚丙烯配置文件的效果。
田口实验设计用于确定最相关的处理变量。
他们的结论是确定的挤压型材的机械性能是最显着的处理变量的挤出温度。
挤压的铝挤压型材的流动平衡和温度演变过程参数的效果已经由Bastani等研究。
9
作者通过选择工艺参数的适当组合一个二维模型中的出口速度和出口温度的径向变化最小,并得出结论,最小化的出口温度和速度,可以导致在温度和速度的均匀性下降的交叉部所产生的部分。
在不同的聚合物的流变学的多样性也需要个别优化每种聚合物的模具。
聚合物和模具通道几何的组合通常需要额外的设备,如夹紧列[
10
在这种情况下,可以使用的试验和错误的方法,以获得均匀的模具出口处的速度。
的聚合物的流变学这种复杂性进一步提高模具的优化问题的难度。
如果聚合物流变学还没有考虑准确地优化模具的同时,预测的速度,压力和温度场预计将有较大的误差,这可能导致在非最佳的模具设计。
然而,在理论上是可能的设计的模具中的流动分布是独立的流动性能,特别是,独立的剪切稀化的程度。
冬季和Fritz[
11
],提出了一个理论,衣架模具的设计,圆形或矩形截面分水器。
对于一个给定的纵横比(高度/宽度)的歧管,该理论预测材料独立的流动分布。
然而,Lebaal等。
12
]显示使用三维仿真软件,和实验验证,在实践中可能不是最优的,通过该方法得到的分布。
Smith等人[
13
]优化的扁平模头设计,操作以及在多点温度。
作者表明,出口速度分布的影响,通过熔融温度。
事实上,幂律流变模型参数的材料根据熔体温度变化。
为了简化优化方法,使用的润滑近似模型等温幂律流体的流动。
所使用的优化算法的大部分需要大量的模拟结果,这一事实增加了计算时间。
这意味着,对于复杂的几何形状,挤压模具的分析所需的计算资源和时间是相当的。
为了防止或至少减少这种缺点,Shahreza等。
14
]提出了一个有趣的优化过程来实现均匀的出口流动的熔融聚合物的更新模,与在模头出口的横截面的各种厚度。
模具出口速度是根据三维流动模拟的结果。
的设计灵敏度分析,使用直接的鉴别方法,可以很容易地纳入一个FE的代码,计算目标函数的梯度。
对于为此目的Sienz等。
15
]提出了一种程序,使用优化异型材挤出模具的设计灵敏度分析。
诺夫雷加等。
16
]提出的异型材挤出模具,模具设计的基础上的有限体积方法和优化算法(SIMPLEX和启发式方法)的代码,以优化的流道。
提出了两种优化策略的长度控制的基础上,第一个和第二个的厚度是根据。
作者得出这样的结论:
在挤压模具的长度控制的基础上进行了优化的厚度的基础上进行了优化的那些相比,具有更高的灵敏度的处理条件。
模具设计在聚合物挤出过程中,穆等人最近提出的元模型优化策略。
17
]提出了基于BP神经网络的优化策略,以及非支配排序遗传算法(NSGA-II),以优化挤压模具。
NSGA-II进行评估所建立的神经网络模型,其目标函数的全局优化设计变量的搜索。
用有限元模拟耦合模式国境的优化算法的软件,以确保最终产品的尺寸精度。
为此目的采取相对的速度差和溶胀比的目标函数。
这种优化工具(模式FRONTIER)是有趣的和易于使用的其他聚合物加工,如注塑机的性能优化[
18
在这项工作中,一个强大和有效的优化方法已发展为线涂装工艺,测试使用不同的策略。
该方法包括耦合与几何体和网格生成器和3D计算的软件(Rem3D®
)基于有限元方法,来模拟非等温的聚合物流的优化例程。
根据出口流分布的均匀性作为目标函数采取的流量平衡原理建立的优化模型,在模具中的最大压力,得到的约束函数,和模头的结构参数的设计变量。
能够预测,在可接受的计算时间,速度,压力,剪切场和温度场分布的有限元模拟。
结果,通过目标和约束函数的计算。
序列二次规划(SQP)算法来解决非线性约束的优化问题,优化设计变量的搜索。
上述优化的方法也应用于钢丝衣架型模头的几何形状,范围广泛的材料和多个操作条件下,实现了良好的性能,以达到最佳的设计。
实验结果表明,它是可行的,合理的。
建模与仿真
挤压过程中进行使用3D计算软件的功能实体REM3D®
。
从Navier-Stokes方程的不可压缩方程的流动方程的推导。
不可压缩粘性流动的混合有限元方法。
流求解器使用四面体单元与线性连续插值的压力和速度的速度和气泡富集。
质量,动量和能量守恒方程,按照材料的行为,从速度,压力和温度场的确定。
∙
(1)
使用行为法得到的粘度对剪切速率和温度的关系。
根据冬季和弗里茨[
],Schlä
fli[
19
],和Smith[
],出口速度分布的真正分销商依赖的粘度应变率曲线的斜率(幂指数)。
这使得敏感的材料和流量变化的出口的速度分布。
为了分析的效果的材料变化的分布的结果,选择了两种不同的聚合物(图2)。
一种低密度聚乙烯(LDPE)引用LDPE22D780,使用,因为它的流变行为。
值得注意的是,牛顿之间的过渡区域的宽度(恒定的粘度)和幂律(线性)区域是重要的。
引用的Lupolen1812D,第二个材料被选中。
在这种情况下,记录日志的粘度曲线是线性的(几乎没有牛顿或恒定粘度部)的粘度的温度依赖性是比较小的。
图2。
粘度的LDPE(22D780的Lupolen1812D)“卡罗阿累尼乌斯法律。
”
Carreau-Yasuda/Arrhenius粘度模型是用来描述依赖的粘度(Ţ)的温度和剪切速率(
):
(2)
同
(3)
其中,η
0,
β
,
T
文献,一个
,和米为材料参数。
从数据基地REM3D®
商业软件(MatDB®
)的两种聚合物(表1),得到的流变性质。
两个其它的热塑性材料为实验选择,线性低密度聚乙烯(LLDPE“LLN1004YB”)和聚(氯乙烯)(聚(氯乙烯),PVC“FKS910ŕ”)。
物料
η
0
[帕斯卡·
秒米
米
τs
[Pa]
Tref
[K]
β[K]
LDPE
22D780
8314
0.159
224062
473
11703
Lupolen
1812D
43434
0.347
10555
6156
22D780的Lupolen
1812D的流变参数见表1。
Bysymmetry,onlyonehalfdieismodeledforaflowof120kg/h.Thiscorrespondstoavolumeflowof34,400mm3/s.Theentrancemelttemperature(Tm)andwalldietemperature(Tf)are
Tm
=180°
Cand
Tf
=185°
C,respectively.
OPTIMIZATIONSTRATEGY
Thissectiondescribesthecoathangermeltdistributordesignproblem.First,thedesignvariablesandtheparameterizationofthediemanifoldisexplainedandthentheobjectiveandconstrainedfunctionsusedintheoptimizationproblemaredefined.Finally,theoptimizationprocedureisillustrated.
TheoptimizationmethodusedinthisworkisbasedontheKriginginterpolationandSQPalgorithm.TheKrigingconsistsintheconstructionofanapproximateexpressionofobjectiveandconstrainedfunctionsusingevaluationpointsstartingfromacompositedesignoftheexperiment[20].Then,theapproximatedproblemissolvedusingtheSQPalgorithmtoobtaintheoptimalsolution.
DieDesignVariables
Foragivendiediameter(2R),aslitheight(h),andaninitialmanifoldofconstantwidth(W)(Fig.
3),themanifoldthickness
H(α)andthecontourlines
yc(α)canbecalculatedbythemeanoftheanalyticalmodelpresentedbyWinterandFritz[10]asfollows:
(4)
(5)
Lebaaletal.[12]alreadyshowedthelimitationsofthisanalyticalmodel.Howevertheauthors[12]note,that,forageometryobtainedusingthismodel,thematerialhasaweakinfluenceontheexitvelocitydistribution.
Figure
3.
Coat-hangerdistributionsystem.(a)andoptimizationvariables
W(y),
H(α)(a)andW(y),
H(y)(b).
Withinthiswork,wewanttoobtainsomediegeometriesthatwillbemachinedafterward.Indeed,theyareveryoftensubjecttogeometricalrequirementsrelatedtothemanufacturingprocess.Withinthisframework,duringtheoptimizationprocedure,severalgeometricalconstraintsdependentonthemanufacturingprocessandtothetoolgeometryareapplied.
Inourcase,thesegeometricalrequirementsimposedbythemachinetoolsare:
thetoolcuttingedgeradius(RF)anddiameter(D).Themanifoldwillbemilledbyatoolofdiameter8mm.Thisimpliesthattheminimalmanifoldwidth
Wmin
shouldnotbelowerthan8mm.ThesecondrequirementisthetoolcuttingedgeradiusRF=3mm,whichwillbetakenintoaccountduringthemillingofthepartgeometry.
Also,othergeometricallimitationsrelatedtothetooling,whichmustbeadaptedtotheoptimaldie.Toachievethisgoal,severalgeometricalconstrainedmustbeimposed(Fig.
4).Thewidthofentry
Wentry
mustbeequalto20mm;
themaximumlength(y)ofthemanifoldshouldnotexceed85mm.Theoveralllengthofthedieis95mm.Theoveralllengthoftheflowbeforethefluxseparatorisof112.5mm.Toobtainalengthofthemanifoldwhichdoesnotexceedtheimposedlengthof85mm,themanifoldcontourlinesiscalculatedforaconstantwidthof
W
=10mm.
4.
Sketchofextrusiontool(a)andcoat-hangerdistributionsystem(b).
Foradiameterof55mm,aslitheightof3mmandaninitialmanifoldofconstantwidth,thecontourlines
yc(α)andthethicknessvariation
H(α)ofthemanifoldarecalculatedstartingfrom
Eqs.
and
5.
Duringtheoptimizationprocedure,theexternalcontourlinesofthedie(determinedbytheinitialparameters)remainconstant.Consequently,twovariableswillbeoptimizedtoensurebetterexitvelocitydistribution:
manifoldthicknessandmanifoldwidthvariation(Fig.
3).
Twocasesareproposedtooptimizethewirecoathangermeltdistributor.Inthefirst(case1)themanifoldthicknessisvaryinglinearlyalongthediecircumferenceH(α):
(6)
Theconstants
c0,
c1
aredeterminedbythefollowingboundaryconditions:
(7)
Inthesecond(case2),
H
varieslinearlyalongthelengthofthedie(H(y))asfollows:
(8)
with:
h
beingtheslitdieand
Hk
themanifoldthicknessatthedieentrance.Thissecondvariablecanvaryduringtheoptimizationprocedureasfollows:
5≤
≤15mm.
Forthetwocases,duringtheoptimizationprocedure,themanifoldwidth(variable
W)varieslinearlyaccordingtothedielength(y).Theentrancemanifoldwidthmustbeequalto
=20mmandattheexititshouldnotbelowerthanthetoolmachiningdiameter.Thelatterparametercanvaryduringtheoptimizationprocedureandislimitedby8≤
Wk
≤20mm.
(9)
where
P̂
=[1
y]isthepolynomialbasisfunction,and
aretheunknowncoefficientsthataredeterminedbytheboundaryconditions:
(10)
Oneimportantneedistohaveadesignprocesswhichislessdependentonpersonalexperience.Toautomatetheoptimizationprocedureandtosavetime,adiedesigncodehasbeendevelopedinMATLAB®
.ThiscodecarriesouttheautomaticsearchfortheflowchannelgeometryandallowingtheCADtobeprocessedandthediegeometrytobechangedautomatically.From
5,themanifoldcontourlineisobtained.Then,withtheoptimizationvariables,themanifoldthicknessandwidthvariationsindependentlyoftheexternalcontourlineareobtained.Fromthemanifoldcontourline,widthandthickness,athree-dimensionalmeshofthecoathangermeltdistributorisgenerated.
ObjectiveandConstrainedFunctions
Sincetheprimaryfunctionofthewirecoat-hangermeltdistributoristoproduceauniformflowdistributionacrossthedie,thisalsomeanstoachievetheminimumvelocitydispersion(E(x)).Theobjectivefunctionisapositiveexitflowuniformityindexthatbecomeszeroforperfectuniformity.Otherconsiderationsincludethelimitationofpressuretotheoneobtainedbytheinitialgeometry;
thisconditionistranslatedbyaconstrainedfunction(g(x)).
Theoptimizationproblemisdefinedasfollows:
(11)
where(J(x))beingthenormalizedobjectivefunction,isfunctionofthevectorofdesignvariables(x)andisobtainedwiththehelpofthevelocitydispersion(E(x)),definedasfollows:
(12)
E0
a
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- 不同 材料 操作 条件 范围内 模具 挤出 电线 设计 实验 验证 一种 优化 方法